4 Material und Umwelt
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Ammoniakemissionen in die Umwelt erfolgen insbesondere durch die Landwirtschaft (93,6 %), aber auch durch Verbrennungsprozesse in der die Abfallwirtschaft (2,3 %) und den Straßenverkehr (1,8 %). Dieser Stoff ist selbst in geringen Konzentrationen nicht nur eine Geruchsbelästigung, sondern auch eine Substanz mit ökologischer und klimatischer Relevanz.
Die Bestimmung von Ammoniak in relevanten Konzentrationen von kleiner 25 μg m-3 erfolgt im Allgemeinen über NH4+ als Analyten, spektralfotometrisch oder mit der Ionenchromatographie nach Überführung in die flüssige Phase. Wegen der niedrigen Konzentrationen an Ammoniak in der Außenluft wird meist eine gesammelte Probe verwendet oder die Bestimmung erfolgt nach einer aktiven, anreichernden Probenahme.
Die eigenen Arbeiten sollen dazu beitragen, die Ammoniak-Bestimmung in der Außenluft präziser, sowie schneller und kostengünstiger zu machen.
Die BAM prüfte daher kommerzielle elektrochemische und Metalloxid-basierte Sensoren, die für diesen Konzentrationsbereich aber nur bedingt geeignet sind. Deshalb wurden alternativ eigene Entwicklungen zum Nachweis von Ammoniak im Spurenbereich aufgenommen, wobei der Analyt über die Änderung der Fluoreszenz eines BODIPY-Farbstoffs bei 550 nm mittels eines portablen Fluoreszenz-Sensors direkt aus der Gasphase gemessen wird.
Zur Kalibrierung von Ammoniak-Sensoren und -Messgeräten steht ein stationäres System basierend auf der Mischung von zertifizierten Prüfgasen aus Druckflaschen mit kalibrierten Massendurchfluss-regler (MFC) zur Verfügung. Darüber hinaus erfolgt eine chemische Analyse der verwendeten Gasgemische mittels eines Massenspektrometers.
Für die Kalibrierung und Prüfung von Sensoren und Messgeräten vor Ort wurde ein mobiles Prüfsystem entwickelt. Die Generierung von Ammoniak-haltigen Gasen im Spurenbereich von 0,5 nmol/mol bis 500 nmol/mol erfolgt durch das Permeationsverfahren nach ISO 6145-10.
Für die Realisierung der Rückführbarkeit der Ammoniakbestimmung werden von den Nationalen Metrologischen Instituten sowie designierten Instituten Standards bereitgestellt und auch weiterentwickelt. Die primären metrologischen Standards beruhen auf SI-Einheiten und sind die Basis für eine Rückführbarkeit der Sensoren bzw. Analysengeräte.
Phosphorus (P) plays an essential role in the global food security. However, the global P reservoirs have a statistic lifetime of about 385 years only. Due to the scarcity of P and the increasing world population an efficient and sustainable recycling management is required. A few biogenic waste materials are high in P contents such as sewage sludge and meat and bone meal. Thus, they are suitable for P recycling and fertilizer production. But besides the high P content sewage sludge is often highly contaminated with organic pollutants and toxic heavy metals which have to be eliminated before agricultural field application. In this presentation we show the potential of sewage sludge as secondary resource for fertilizers. This includes our developments in thermochemical processes for the production of novel P-fertilizers from recycled materials. Furthermore, for these novel P-fertilizers common extraction tests to determine the plant-available P are often unusable. Therefore, we successfully applied the Diffusive gradients in thin-films (DGT) techniques to analyse the plant-availability of P-fertilizers from recycled materials.
The particle size distribution is considered the most relevant information for nanoscale property identification and material characterization. The current OECD test guideline on particle size and size distribution (TG 110) is not applicable to ‘nano-sized’ objects. In this project we thus develop a new OECD test guideline for the measurement of the size and size distribution of particles and fibers with at least one dimension in the range of 1 - 1000 nm. A fiber is defined as an object having an aspect ratio of length/diameter l/d >3. The width and length of each fiber should be measured concurrently.
In order to measure the particle size distributions, many techniques are available. 9 methods for particles and 2 methods for fibres have been tested in a prevalidation study and appropriate methods will be compared in an interlaboratory round robin test starting in February 2019.
Seit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) bedürfen Geokunststoffe, Polymere und Dichtungskontrollsysteme einer Zulassung durch die BAM, wenn diese in deutschen Deponieabdichtungssystemen eingesetzt werden sollen. Die DepV ermöglicht den Einsatz verschiedener Komponenten. Sie stellt dabei allgemeine Anforderungen an die Geokunststoffprodukte auf. Dadurch beschreibt sie den Stand der Technik für Geokunststoffe, die in deutschen Abdichtungen eingesetzt werden. Diese Anforderungen werden durch die Zulassungsrichtlinien der BAM in konkrete technische Spezifikationen überführt. In dem Beitrag wird eine Übersicht über die Produkte und die entsprechenden Anforderungen gegeben. Zudem soll erläutert werden, durch welche Qualitätsmanagementmaßnahmen eine gleichbleibende Qualität und Funktionserfüllung der Produkte gewährleistet wird.
Geokunststoffe spielen sowohl im internationalen als auch im deutschen Deponiebau eine Schlüsselrolle. Seit dem Erscheinen der Deponieverordnung (DepV) im Jahre 2009 bedürfen Geokunststoffe, Polymere und Dichtungskontrollsysteme einer Zulassung durch die BAM, wenn diese in deutschen Deponieabdichtungssystemen eingesetzt werden sollen. Die DepV stellt dabei allgemeine Anforderungen an die Geokunststoffe und den Zulassungsprozess für die Produkte auf. Geokunststoffe müssen danach ihre Funktion unter allen zu erwartenden äußeren und inneren Einflüssen über einen Zeitraum von mindestens 100 Jahren erfüllen. Dichtungskontrollsysteme müssen ihre Funktion über mindestens 30 Jahre erfüllen. Die Anforderungen der DepV werden durch die Zulassungsrichtlinien der BAM in konkrete technische Anforderungen für die Produkte aber auch für das Qualitätsmanagement und den Einbau etc. überführt. Bei der Erarbeitung der Zulassungsrichtlinien wird die BAM durch einen Fachbeirat, der sich aus Experten aus allen relevanten Bereichen zusammensetzt, beraten. Der Vorsitz des Fachbeirats liegt beim UBA. Es soll eine kurze Übersicht über die Produkte und die wichtigsten Anforderungen gegeben werden. Zudem soll erläutert werden, durch welche Maßnahmen in der Produktion und auf der Deponiebaustelle eine gleichbleibende Qualität der Produkte gewährleistet wird.
Transformation of carbendazim, diuron, octylisothiazolinone and terbutryn was investigated in two paints containing either white titanium dioxide or a red iron oxide pigment.
Test specimens of these coatings on glass were exposed to water contact and UVA-radiation under laboratory conditions. Panels of birch plywood were coated and exposed to natural weather conditions in a field experiment. Concentrations of biocides and transformation products were analysed in leachates from laboratory tests, runoff samples and remaining coatings. Water contact, UVA radiation as well as pigments in the paints affected the pattern and amount of transformation products.
Herstellung neuer Düngemittelausgangsstoffe durch thermochemische Behandlung von Klärschlammaschen
(2018)
Der Fachbereich 4.4 hat zusammen mit der Firma Outotec ein thermochemisches Verfahren im Drehrohrofen entwickelt, um die Phosphorphasen in Klärschlammasche umzuwandeln, damit die behandelten Aschen als Dünger eingesetzt werden können. In dem Vortrag wird das Verfahren erklärt, die Düngewirkung dargestellt und Pilotversuche vorgestellt.
Im Beitrag wurden auf der Basis der Ergebnisse des laufenden UFOPLAN-Forschungsvorhabens „Monitoring zur Verwertung von Bodenmaterial“ die nach BBodSchV anzuwendenden Untersuchungsverfahren bewertet und Probleme bei der Untersuchung von Bodenmaterial insbesondere im Zusammenhang mit der Analyse von PAK im Feststoff und im Eluat aufgezeigt. Dabei wurde der Einfluss der Probenaufbereitung und Probenvorbereitung vor der Analytik berücksichtigt.
Selection of resistance in bacteria grown on antimicrobial surfaces in a multidrug environment
(2018)
Bacterial biofilms are regarded as the most common cause of chronic infections and are often associated with medical devices, such as implants and catheters. Bacteria growing in biofilms produce a protective, extracellular matrix, which enables them to tolerate much higher antimicrobial concentrations than free-living bacteria and survive long enough to acquire antimicrobial resistance. Preventive and therapeutic strategies against biofilm infections in clinical settings commonly involve the application of multiple antimicrobials: antimicrobial coatings on the biomaterials and systemically administered antibiotics. This frequent practice harbors the risk of the development of cross-resistance via shared resistance mechanisms between antimicrobials used in material coatings and administered antibiotics.
Our goal is to determine how population dynamics within biofilms affect the transmission of resistance mutations. Specifically, we want to identify antimicrobial-antibiotic-combinations that select for and against antibiotic resistance in biofilms by following the population dynamics of resistant and susceptible strains in competition assays. Gaining a better understanding about resistance development and spread in persistent biofilm infections will enable us to provide clinical recommendations for improved administration of antibiotics/antimicrobials in combination with medical device materials to mitigate against biofilm associated antimicrobial resistance.
Here, we will discuss our first findings on the effects of combinations of the carbapenem drug meropenem and various antimicrobials.
Die agronomische Effizienz von Düngemitteln wird üblicherweise im Vegetationsversuch geprüft. Vegetationsversuche erlauben die Betrachtung unterschiedlicher Kulturpflanzen und deren Strategien der Nährstoffmobilisierung und -aneignung ebenso wie die Berücksichtigung verschiedener Substrattypen und deren Eigenschaften hinsichtlich Nährstofffixierung und –freisetzung. Solche Versuche, selbst wenn sie nicht im Feld, sondern nur im Gefäß durchgeführt werden, sind jedoch sowohl zeit- als auch kostenintensiv. In erster Näherung wird die Pflanzenverfügbarkeit insbesondere von Phosphor (P)-Düngemitteln daher herkömmlicherweise mit Hilfe standardisierter chemischer Extraktionsmethoden abgeschätzt, deren Durchführung in der deutschen ebenso wie in der europäischen Düngemittelverordnung normiert ist. Diese Methoden werden auch im Rahmen der staatlichen Düngemittelverkehrskontrolle genutzt, um die Einhaltung düngemittelrechtlicher Vorgaben zu überprüfen. Wie jüngere Arbeiten gezeigt haben, ist jedoch die Übertragung herkömmlicher Standardextraktionsmethoden auf neue Dünger aus Recyclingmaterialien wie Klärschlamm mit einigen Schwierigkeiten verbunden, Korrelationen zwischen P-Aufnahme im Vegetationsversuch und chemischer Löslichkeit im Standardextrakt sind oft nur mäßig bis schwach oder überhaupt nicht signifikant. Die vorliegende Literaturübersicht gibt einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens über die chemische Löslichkeit von klärschlammbasierten P-Recyclingdüngern, deren Effizienz im Vegetationsversuch und statistische Relationen zwischen beiden Parametern. Anschließend werden alternative Methoden zur Abschätzung der P-Verfügbarkeit von Recyclingdüngern vorgestellt, die derzeit Gegenstand der wissenschaftlichen Diskussion sind.
The characteristics of different molecules chosen as representatives for specific functionalities in conditioning layers play an important role on attachment behavior and later biofilm formation of bacteria. The chemical composition is a major component influencing the attachment but there is a conglomerate of influences.
Die Klinkerphasenbildung durch Sinterung in Drehrohröfen bei der Herstellung von Portlandzementklinker (PZK) ist gründlich erforscht und optimiert. Im Hinblick auf mög-liche ökonomische und ökologische Vorteile befassen sich aktuelle Forschungsvorha-ben darüber hinaus mit der Herstellung von Klinkermineralen aus Stahlwerksschla-cken, die eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen.
Neuste Untersuchungen zeigen, dass nach der reduzierenden Behandlung schmelz-flüssiger Linz-Donawitz-(LD)-Schlacken und Abscheidung des gebildeten metallischen Eisens eine mineralische Schlacke entsteht, die unabhängig von ihren Abkühlbedin-gungen ca. 50–60 Gew.% des wichtigsten Klinkerminerals Alit (C3S) enthält und eine hohe hydraulische Reaktivität aufweist.
Die Stabilität des Alits auch nach langsamer Abkühlung deutet auf eine Stabilisierung des Minerals durch Nebenelemente aus den LD-Schlacken hin. Ein sinkender Anteil an LD-Schlacke durch Zusatz synthetischer Schlackemischung, die sich hinsichtlich ihrer Hauptkomponenten wie eine ausreduzierte LD-Schlacke zusammensetzt, führt zu einem Rückgang des Alitgehaltes und dem Zerfall der Schlacke beim Erstarren.
Without precaution, insects may cause serious damage to Museum collections. Quarantine of potentially infested objects can be logistically challenging. Anoxia under controlled nitrogen atmosphere is a most compatible but also time-consuming method to eradicate insect pests in all kinds of different materials. Treatment results are usually effected by duration, temperature, humidity and residual oxygen content. During a two-year research project, 34 relevant pest insect species of all developmental stages were tested in several different materials (wood, paper, wool) to monitor treatment success and to determine optimum treatment parameters. Duration of Treatment ranged from one to three weeks at temperatures of 20 - 27 °C.
As expected, results showed significant differences in mortality among tested species. Highest tolerance of hypoxic conditions was found in older larvae of Hylotrupes bajulus. However, this species is an unlikely museum pest. Anobiids and other wood boring beetles are more often an issue related to cultural heritage. Tested imbedding materials in general had no mortality lowering influence. A combination of three weeks exposure time at up to 0.5 % residual oxygen and at 24 °C and 50 % RH is recommended for infested artefacts.
Mikroskopische Pilze, die sich schnell auf verfügbaren Oberflächen ausbreiten können und die wir (wenn sie sich ansammeln), auch mit bloßem Auge erkennen können, werden Schimmelpilze genannt. Da diese Organismen verschiedene organische Kohlenstoffverbindungen als Nahrung benutzen, werden sie sich bei wachstumfördernden Feuchtigkeitsbedingungen in Bibliothekbeständen schnell ausbreiten können. Im Vortrag werden Haupteigenschaften aller Pilze, sowie auch aktuelle Methoden der Identifizierung dieser Organismen erörtert.
Benutzung geeigneter Lebendkulturen als Referenzorganismen geben der Materialprüfung und -forschung eine Möglichkeit des reproduzierbaren Experimentierens mit verschiedenen Materialien und Simulation von Bedingungen im Gebrauch. Vorteile unserer Testverfahren sind: (i) Zeitraffung und Kontrollierbarkeit der Umweltparameter; (ii) Benutzung einer naturnahen Vergesellschaftung; iii) gezielte Variationen der Prüfbedingungen im Labor.
Ziel dieser Untersuchungen ist einerseits biogene Schäden an neuen Materialien zu verfolgen und zu modellieren, und damit eine bessere Planungsgrundlage für die Materialentwicklung anzubieten. Andererseits werden mit den Referenzorganismen mikrobiologisch moderne und zeitraffende Techniken angeboten, die neue Behandlungsmethoden oder Pflegeverfahren für die Bestandserhaltung erwarten lassen.
A fundamental question in ecology is how biodiversity affects ecosystem function. Biodiversity is commonly estimated based on genetic variation. We investigated a new approach that defines and measures biodiversity in complex microbial communities. We used the variation in multiple functionally-relevant, phenotypic traits measured in parallel in single cells as a metric for microbial phenotypic diversity. We studied phenotypic diversity and ecosystem functioning throughout different photosynthetic layers dominated by divergent microbial communities in the gradient of Lago di Cadagno. We determined genetic diversity by 16S and 18S amplicon sequencing and bulk ecosystem functioning (photosynthesis). In addition, we determined phenotypic diversity using single-cell technologies such as nanometer-scale secondary ion mass spectrometry (NanoSIMS) correlated with confocal laser scanning microscopy (CLSM) and scanning flow-cytometry. We measured functional trait variation between individuals in 13CO2 fixation, 15NH4+ uptake, and variation in physio-morphological cell traits, such as cell size, shape, and auto-fluorescence for various pigments related to photosynthesis. We used the distances between individuals in a multidimensional trait space to derive phenotypic trait-based diversity indices, such as trait richness, trait evenness, and trait divergence. We find that phenotypic trait divergence associates with ecosystem functioning, whereas genetic diversity does not. Including activity-based, single-cell phenotypic measurements with NanoSIMS provided an additional accuracy to the trait-based diversity assessment and allowed us to formulate hypotheses on the mechanisms that shape the correlation between phenotypic diversity and eco-system function. Together, our results show that phenotypic diversity is a meaningful concept to measure microbial biodiversity and associate it with ecosystem functioning.